CN104434080A - 基于压电薄膜的摔倒和心率监测及自动求救系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于压电薄膜的摔倒和心率监测及自动求救系统。本系统利用基于PVDF足底压力传感器和PVDF脉搏传感器相结合判断的方法对老人是否跌倒做出准确判断，同时进行心率的实时监测。通过工作模式的选择，方便老人在不同时刻选择各种合适的工作模式。当老人摔倒或出现心率异常等紧急情况时，可以定位出老人的位置，并发送短信给子女、医院和小区保安等，以便得到及时救助。多功能腕表上，装设有温湿度传感器，可以对周围的温度、湿度进行采集并显示在LCD液晶显示屏上，在老人在看时间的同时，可以得到周围环境的数据，方便老人出行。

Description

基于压电薄膜的摔倒和心率监测及自动求救系统
技术领域
本发明涉及一种基于压电薄膜的摔倒和心率监测及自动求救系统，其特征是在老人跌倒和心率异常时，可以对老人位置进行准确定位，自动短信求救，并且具有测量周围环境温度湿度的功能。
背景技术
随着社会经济发展和文化的进步，对于老人的健康和防护越来越受到人们的重视，虽然现在部分老人佩戴有手机，但是对于一些例如摔倒后昏厥、夜晚心率不稳等突发状况是无法及时与家人联系并求救的。同时，现代人对于老人摔倒后是否去搀扶都心存顾虑，当老人摔倒后或出现其他状况时，因无法得到及时的救援而大大增加了风险。现在虽有一些监测老人是否摔倒的设备，但其只是通过单一检测方法判断，不能准确判断老人状态，并且功能单一，因此虽然可以实现功能，但不能做到高效。基于可以实时高效、并有多种工作模式可以选择的目的，提出一种在老人跌倒和心率异常时可以准确定位、自动短信求救，并且具有测量环境的温度湿度功能的系统。
发明内容
为了解决老人在摔倒或其他紧急情况时，无法得到及时救助而产生的风险，本发明提供一种能在老人跌倒和心率异常时准确定位、发送求救短信，并且可以实时测的环境温度湿度的系统。与传统的检测人体状态的方法相比，本系统能够通过脉搏传感器和脚底的压力传感器相结合，准确判断出老人是否跌倒，并且通过工作模式的选择，方便的切换所要测量的人体参数，并能准确定位和自动发送求救信息，大大缩减救助时间。同时，通过温湿度传感器可以测量环境的温、湿度，将其集成在腕表上，将脚底压力传感器放在鞋子中，使老人出行与携带非常方便。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该系统包括PVDF脉搏传感器、基于PVDF足底压力传感器、温湿度传感器、A/D转化器、液晶显示屏、单片机、按键求救模块、无线传输模块、信号放大模块、GPS定位模块、GSM通信模块、模式选择模块及MP3语音模块；腕表采用锂电池供电，可进行充电，具有USB接口，方便与电脑连接。其形状做成环状长方体，方便佩戴。单片机、温湿度传感器、PVDF脉搏传感器、GPS定位模块、GSM通信模块、AD转换器、存储器嵌入在腕表之中。腕表表面是液晶显示器用于显示时间温度以及湿度，脚底垫有PVDF压电薄膜阵列，用于测量脚底压力，所测的数据经过信号处理和AD转换后经无线传输，存储于腕表的存储器中，存储器与单片机相连，对其中的数据进行处理。PVDF脉搏传感器与信号处理模块相连，经两级放大后通过AD转换器和单片机相接，单片机对其数据进行处理。温湿度传感器直接与单片机相连，处理后得到周围环境的温、湿度，显示在液晶显示器上。GPS定位模块可以得到当前老人所在位置，经过串口与单片机相连；单片机和GSM通信模块相连，将所得到的地理位置和提前设置好的求救信息发送给子女、医院及小区保安等。单片机控制MP3语音模块向周围的人进行求救。老人可以通过按键求救模块自己手动进行呼救，此按键按下后，单片机控制GSM通信模块和语音模块做与上述相同的操作。此按键是为了防止老人感觉其他不适情况时，及时进行呼救而设计的。
本发明微处理器采用STM32单片机，此单片机具有强大的性能，运算速度快，低成本，低消耗，嵌入式。具有2个12位的                                                级的A  /D转换器(16通道)，拥有双串口U1_RX、U1_TX、U2_RX、U2_TX,满足GPS定位模块和GSM通信模块的通信需求。拥有较多的输入输出引脚，满足各个模块与其连接的需求。
PVDF脉搏传感器模块是在PVDF压电薄膜传感器基础上制作而成的，PVDF压电薄膜作为一种动态应变传感器，非常适合用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号检测。利用基于PVDF压电薄膜的脉搏传感器可以测出老人的心率，将此传感器与信号处理模块相连，进行电压信号的放大，再与A/D转换器相接。其中信号处理模块采用两级放大电路。一级放大电路输入级采用差分输入的方式，可有效地抑制共模信号，放大差模信号，提高共模抑制比。差分放大器采用AD620，其功率低、尺寸小很适合于电池供电的便携式应用场合。基线校正电路主要由四运算放大器LM148中的两个运放组成。带阻滤波器又称陷波器，用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外有用的信号通过。利用双T网络和运算放大器构成的有源双T带阻滤波电路是作为抑制生物信号测量中的工频50Hz干扰而经常采用的陷波电路结构。带通滤波器是一个允许特定频段的波通过，同时屏蔽其他频段的设备。可以由低通滤波器和高通滤波器串联组成，低通滤波器的截止频率为，高通滤波器的截止频率为，则通频带为。在高通滤波器之后，再由反向比例运算电路设计一个二级放大电路，可以把信号放大到适合A/D转换的要求。
脚底的PVDF压电薄膜阵列，将其放入鞋中，对人脚底的压力进行测量的同时不会影响出行及正常的日常活动。其信号转换电路同脉搏模块中的信号转换电路基本相同。
单片机的输出端接一个型号为MP381的放音模块，其体积小，具有挂起功能，可单键实现循环播放功能，也可以进行一个按键对应一首歌进行播放的功能。本发明使用此模块进行就地呼救，让周围的人对跌倒老人进行救助。
LCD液晶显示模块用于显示当前的时间，以及周围环境的温度湿度，让老人可以实时获取当前的时间信息和环境信息，极大的方便了老年人的出行。
本发明有四种工作模式可以通过模式选择模块和按键求救模块进行选择。在老人行走、锻炼等日常正常活动时，可以选择模式一，此工作模式是通过脉搏传感器和基于PVDF足底压力传感器共同判断老人状态，只有当基于PVDF足底压力传感器所测的两脚压力急剧减小且伴有心率上升并且超过其设置好的阀值时，说明老人摔倒，单片机控制语音模块和GSM通信模块作用，进行求助。
在老人日常休息、睡觉时，可以选择模式二。此模式将基于PVDF足底压力传感器所在的通道关闭，只进行心率阀值的判断，当心率过高或过低时，发出求救信号。
模式三是不判断心率和脚底压力，即将两个通道关闭，此时老人可以将腕表摘掉，或进行体育锻炼后进行休息，避免了因为双脚离地休息同时心跳加快所导致的错误的求救。
第四种模式是当老人感觉不适时，自己进行按键的按下，手动进行信息呼救和就地呼救，减小了因一些突发身体不适对老人所带来的威胁。
本发明的有益效果是，可以准确判断老人是否跌倒或心率异常，同时在其他紧急情况下，老人可以自己手动进行求救。具有多工作模式可以进行选择，不会影响老人的日常生活，极大的降低了设备误动作的可能性。可以实时定位，在意外出现时及时发送短信通知医院、子女。腕表上装设有温湿度传感器，老人可以及时了解周围环境的温、湿度，方便出行。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图2是本发明系统各模块组成示意图。
其中1.STM32单片机，2.基于PVDF足底压力传感器模块，3.PVDF脉搏传感器模块，4.按键求救模块，5.温湿度传感器模块，6.GPS定位模块，7.LCD液晶显示屏，8.MP3语音模块9.GSM通信模块10.模式选择模块。
图3是本发明中信号处理方面的示意图。
具体实施方案
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对发明做进一步说明。
在图2中，该系统包括单片机（1）、基于PVDF足底压力传感器模块（2）、PVDF脉搏传感器模块（3）、按键求救模块（4）、温湿度传感器（5）、GPS定位模块（6）、模式选择模块（10）、LCD液晶显示屏（7）、GSM通信模块（9）及MP3语音模块（8）；该腕表和基于PVDF足底压力传感器模块（2）采用锂电池供电，腕表做成环状长方体，方便佩戴，并且具有USB接口，方便与电脑连接。单片机(1)、基于PVDF足底压力传感器模块（2）、PVDF脉搏传感器模块（3）、温湿度传感器(5)、GPS定位模块(6)、GSM通信模块(9)、存储器嵌入在腕表之中。腕表表面是液晶显示屏(7)用于显示时间以及环境的温度、湿度，基于PVDF足底压力传感器模块(2)，用于测量脚底压力，所测的数据经过信号处理和AD转换后经无线传输，存储于腕表的存储器中，存储器与单片机(1)相连，对其中的数据进行处理。PVDF脉搏传感器模块（3）与信号处理模块相连，经两级放大后通过AD转换器和单片机(1)相接，单片机(1)对其数据进行处理。温湿度传感器(5)直接与单片机(1)相连，处理后得到周围环境的温湿度，将数据显示在液晶显示屏上（7）。GPS定位模块（6）可以得到当前老人所在位置，经过串口与单片机（1）相连；单片机（1）和GSM通信模块（9）相连，将所得到的地理位置和提前设置好的求救信息发送给子女、医院及小区保安等。单片机（1）控制MP3语音模块（8）向周围的人进行求救。老人可以通过按键求救模块（4）自己手动进行呼救，此按键按下后，单片机（1）控制GSM通信模块（9）和语音模块（8）做与上述相同的操作。此按键是为了防止老人感觉其他不适情况时，及时进行呼救而设计的。
本发明微处理器采用STM32单片机（1），此单片机具有强大的性能，运算速度快，低成本，低消耗，嵌入式。具有2个12位的级的A /D转换器(16通道)，拥有双串口U1_RX、U1_TX、U2_RX、U2_TX,满足GPS定位模块和GSM通信模块的通信需求。拥有较多的输入输出引脚，满足各个模块与其连接的需求。
PVDF脉搏传感器模块（3）是在PVDF压电薄膜传感器基础上制作而成的，PVDF压电薄膜作为一种动态应变传感器，非常适合用于人体皮肤表面或植入人体内部的生命信号检测。利用基于PVDF压电薄膜的脉搏传感器可以测出老人的心率，将此传感器与信号处理模块相连，进行电压信号的放大，再与A/D转换器相接。其中信号处理模块采用两级放大电路。一级放大电路输入级采用差分输入的方式，可有效地抑制共模信号，放大差模信号，提高共模抑制比。差分放大器采用AD620，其功率低、尺寸小很适合于电池供电的便携式应用场合。基线校正电路主要由四运算放大器LM148中的两个运放组成。带阻滤波器又称陷波器，用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外有用的信号通过。利用双T网络和运算放大器构成的有源双T带阻滤波电路是作为抑制生物信号测量中的工频50HZ干扰而经常采用的陷波电路结构。带通滤波器是一个允许特定频段的波通过，同时屏蔽其他频段的设备。可以由低通滤波器和高通滤波器串联组成，低通滤波器的截止频率为，高通滤波器的截止频率为，则通频带为。在高通滤波器之后，再由反向比例运算电路设计一个二级放大电路，可以把信号放大到适合A/D转换的要求。
基于PVDF足底压力传感器模块（2），将其放入日常所穿的鞋子中，对人脚底的压力进行测量的同时不会影响出行及正常的日常活动。其信号转换电路同PVDF脉搏传感器模块（3）中的信号转换电路基本相同。
STM32单片机（1）的输出端接一个型号为MP381的放音模块（8），其体积小，具有挂起功能，可单键实现循环播放功能，也可以进行一个按键对应一首歌进行播放的功能。本发明使用此模块进行就地呼救，让周围的人对跌倒老人进行救助。
LCD液晶显示屏（7）用于显示当前的时间，以及周围环境的温度湿度，让老人可以实时获取当前的时间信息和环境信息，极大的方便了老年人的出行。
本发明有四种工作模式可以通过模式选择模块（10）和按键求救模块（4）进行选择。在老人行走、锻炼等日常正常活动时，可以选择模式一，此工作模式是通过PVDF脉搏传感器模块（3）和基于PVDF足底压力传感器模块（2）共同判断老人状态，只有当基于PVDF足底压力传感器模块（2）所测的两脚压力急剧减小且伴有心率上升并超过所设置好的阀值时，说明老人摔倒，STM32单片机（1）控制语音模块（8）和GSM通信模块（9）作用，进行求助。
在老人日常休息、睡觉时，可以选择模式二。此模式将基于PVDF足底压力传感器模块（2）所在的通道关闭，只进行心率的判断，当心率过高或过低超过所设置的阀值时，发出求救信号。
模式三是不判断心率和脚底压力，即将两个通道关闭，此时老人可以将腕表摘掉，或进行体育锻炼后进行休息，避免了因为双脚离地休息同时心跳加快所导致的错误的求救。
第四种模式是当老人感觉不适时，通过按键求救模块（4），自己进行按钮的按下，手动进行信息呼救和就地呼救，减小了因一些突发身体不适对老人所带来的威胁。 

Claims (10)

1.基于压电薄膜的摔倒和心率监测及自动求救系统，采用锂电池供电，包括STM32单片机（1），基于PVDF脚底压力传感器模块（2），PVDF脉搏传感器模块（3），按键求助模块（4），温湿度传感器模块（5），GPS定位模块（6），LCD液晶显示屏（7），MP3语音模块（8）及GSM通信模块（9），其特征是：PVDF脉搏传感器模块（3）的信号通过A/D转换和STM32单片机（1）相连，温湿度传感器模块（5）与STM32单片机相连，GPS定位模块（6）与STM32单片机（1）的串口相连接，基于PVDF脚底压力传感器模块（2）中所测的数据经无线传输存储在存储器中，存储器与STM32单片机（1）相连接，STM32单片机的输出端分别连接LCD液晶显示屏（7）和MP3语音模块（8），其串口接GSM通信模块（9），模式选择模块（10）与STM32单片机（1）相连进行工作模式的选择。
2.权利要求1中所述的基于PVDF脚底压力传感器模块（2）和PVDF脉搏传感器模块（3）所测的数据相结合，其特征是：老人摔倒时脚底压力急剧减小以及脉搏跳动加快，两者相结合，与所设阀值比较判断，准确推测出老人是否跌倒。
3.权利要求1中所述的GPS定位模块（6）和GSM通信模块（9），其特征是：通过串口和STM32单片机（1）相连接，GPS定位模块（6）可以定位出老人在摔倒时的所在位置，GSM通信模块可以向之前设置好的子女、医院、小区保安发送短信进行求救，大大减少老人获得救助的等待时间，减小老人因位置不明确而导致意外的风险。
4.权利要求1中所述的MP3语音模块（8），其特征是：经过STM32单片机控制，可以将事先录制好的语音求助信号播放出来，提醒周围的人，以求在子女或医院没有到达出事地点时，获取周围好心人的救助。
5.权利要求1中所述的模式选择模块（10），其特征是：模式选择模块（10）与STM32单片机（1）相连，模式选择模块（10）具有三个按钮，分别代表白天模式、夜晚模式和运动模式，和按键求助模块（4）组成4种不同的工作模式，白天模式进行脚底压力和心率相结合判断的方式，准确判断出老人是否跌倒，并进行自动求救，夜晚模式不进行脚底压力的判断，只进行心率的监测，并保有自动求助的功能，运动模式不进行脚底有无压力和心率是否正常的判断，求助模式是当老人感觉身体不适，自己手动按下求救按键，进行就地求助和远程求助的工作模式。
6.权利要求1中所述的基于压电薄膜的摔倒和脉搏监测及自动求救系统，其特征在于，所述的单片机（1）的型号为STM32F103XX增强系列。
7.权利要求1中所述的基于压电薄膜的摔倒和脉搏监测及自动求救系统，其特征在于，所述的MP3语音模块（8）的型号为MP381。
8.权利要求1中所述的PVDF脉搏传感器模块（3），其特征是：拥有两级信号放大电路，一级放大电路输入级采用差分输入的方式，可有效地抑制共模信号，放大差模信号，提高共模抑制比，差分放大器采用AD620，其功率低、尺寸小很适合于电池供电的便携式应用场合，基线校正电路主要由四运算放大器LM148中的两个运放组成，带阻滤波器又称陷波器，用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外有用的信号通过，利用双T网络和运算放大器构成的有源双T带阻滤波电路是作为抑制生物信号测量中的工频50HZ干扰而经常采用的陷波电路结构，带通滤波器是一个允许特定频段的波通过，同时屏蔽其他频段的设备，可以由低通滤波器和高通滤波器串联组成，低通滤波器的截止频率为                                                ，高通滤波器的截止频率为，则通频带为，在高通滤波器之后，再由反向比例运算电路设计一个二级放大电路。
9.权利要求1中所述的基于PVDF脚底压力传感器模块（2）和PVDF脉搏传感器模块（3），其特征是：两个模块的A/D转换器所采用的型号为AD7820。
10.基于压电薄膜的摔倒和心率监测及自动求救系统，其特征是：通过两点结合判断，与预设的阀值进行比较，得到准确的实时信息，减小错误信息发送的可能性。
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